Prinzipien der Lichtlenkung

Von der Reflexion bis zur Interferenz

Die wesentlichste Aufgabe der Leuchte ist die Lenkung des Lampenlichtstroms. Hierbei wird eine den jeweiligen Aufgaben der Leuchte entsprechende Lichtverteilung bei möglichst guter Ausnutzung der eingesetzten Energie angestrebt.
Ein Schritt zu einer gezielten und effizienten Lichtlenkung ergab sich durch die Einführung der Reflektor- und PAR-Lampen. Das Licht wird durch in die Lampe integrierte Reflektoren gebündelt und kann mit definierten Ausstrahlungswinkeln in die gewünschte Richtung gelenkt werden. Die Forderung nach einer differenzierteren Lichtlenkung, nach größeren Leuchtenwirkungsgraden und hoher Blendfreiheit führte zur Verlagerung des Reflektors von der Lampe zur Leuchte. Auf diese Weise ist es möglich, Leuchten zu konstruieren, die spezifisch auf die Anforderungen der Lichtquelle und der Aufgabe abgestimmt sind.

Reflexion

Lichtstärkeverteilung I bei diffuser Reflexion

Leuchtdichteverteilung L bei diffuser Reflexion. Die Leuchtdichteverteilung ist aus allen Blickwinkeln gleich.

Lichtstärkeverteilung bei gemischter Reflexion

Lichtstärkeverteilung bei spiegelnder Reflexion

Streuung

Bei der Reflexion wird das auf einen Körper fallende Licht je nach dem Reflexionsgrad dieses Körpers reflektiert. Neben dem Reflexionsgrad spielt bei der Reflexion wiederum der Grad der Streuung des zurückgeworfenen Lichts eine Rolle. Bei spiegelnden Oberflächen findet keinerlei Streuung statt; man spricht hier von gerichteter Reflexion. Mit zunehmendem Streuvermögen der reflektierenden Oberfläche wird der gerichtete Anteil des zurückgeworfenen Lichts immer geringer, bis bei vollständig gestreuter Reflexion nur noch diffuses Licht abgegeben wird.

Reflexion

Spiegelnde Reflexion parallel einfallender Lichtstrahlen an planen Oberflächen (paralleler Strahlengang)

Konkave Oberfläche
(konvergierender Strahlengang)

Konvexe Oberfläche
(divergierender Strahlengang)

Oberflächenformen

Für die Konstruktion von Leuchten ist die gerichtete Reflexion von entscheidender Bedeutung; sie ermöglicht durch geeignete Reflektorkonturen und Oberflächen eine gezielte Lichtlenkung und ist verantwortlich für die Größe des Leuchtenwirkungsgrades.

Reflexion

Reflexionsgrade

Reflexionsgrade gebräuchlicher Metalle, Farbanstriche und Baustoffe

Transmission

Lichtstärkeverteilung I bei diffuser Transmission

Leuchtdichteverteilung L bei diffuser Transmission. Sie ist aus allen Blickwinkeln gleich.

Lichtstärkeverteilung bei gemischter Transmission

Lichtstärkeverteilung bei gerichteter Transmission durch klares Material

Bei der Transmission wird das auf einen Körper fallende Licht je nach dem Transmissionsgrad dieses Körpers transmittiert. Zusätzlich spielt der Grad der Streuung des transmittierten Lichts eine Rolle. Bei ideal durchsichtigen Stoffen findet keinerlei Streuung statt. Mit zunehmendem Streuvermögen wird der gerichtete Anteil des transmittierten Lichts immer geringer, bis bei vollständiger Streuung nur noch diffuses Licht abgegeben wird. Transmittierende Materialien in Leuchten können durchsichtig sein. Dies gilt für einfache Abschlussgläser sowie für Filter, die bestimmte Spektralbereiche absorbieren, die übrigen jedoch transmittieren und so für farbiges Licht oder für eine Senkung des UV- bzw. Infrarotanteils sorgen. Gelegentlich werden auch streuende Materialien - z. B. opales Glas oder opale Kunststoffe - als Leuchtenabschluss verwendet, um durch Senkung der Lampenleuchtdichte Blendwirkungen zu vermeiden.

Absorption

Bei der Absorption wird das auf einen Körper fallende Licht je nach dem Absorptionsgrad dieses Körpers ganz oder teilweise absorbiert. Bei der Konstruktion von Leuchten wird Absorption vor allem zur Abschirmung von Lichtquellen benutzt; zur Erzielung von Sehkomfort ist sie dort unverzichtbar. Prinzipiell ist Absorption jedoch ein unerwünschter Effekt, da sie Licht nicht lenkt, sondern vernichtet und so den Wirkungsgrad der Leuchte herabsetzt. Typische absorbierende Leuchtenelemente sind schwarze Rillenblenden, Abblendzylinder und -klappen sowie Abblendraster in unterschiedlichen Formen.

Brechung

Lichtstrahlen werden beim Übergang aus einem Medium mit dem Brechungsindex n1 in ein dichteres Medium mit dem Brechungsindex n2 zum Einfallslot hin abgelenkt. (1> 2). Für den Übergang von Luft zu Glas ergibt sich annäherungsweise n2/ n1=1,5.

Beim Durchgang durch ein Medium anderer Dichte werden Lichtstrahlen parallel versetzt.

Einführung

Lichtstrahlen werden beim Eintritt in ein transmittierendes Medium abweichender Dichte - so z. B. von Luft in Glas und wiederum von Glas in Luft - gebrochen, d. h. in ihrer Richtung verändert. Bei Körpern mit parallelen Flächen ergibt sich hierbei nur eine parallele Verschiebung des Lichts, bei Prismen und Linsen entstehen jedoch optische Effekte, die von der reinen Winkeländerung über die Bündelung und Streuung von Licht bis hin zur optischen Abbildung reichen. Bei der Konstruktion von Leuchten werden lichtbrechende Elemente wie Prismen oder Linsen - häufig in Kombination mit Reflektoren - zur gezielten Lichtlenkung verwendet.

Brechung

Prismen und Linsen

Typischer Strahlengang parallel einfallenden Lichts beim Durchtritt durch asymmetrische Prismenstrukturen (links oben), symmetrische Prismenstrukturen (rechts oben), Fresnellinsen (links unten) und Sammellinsen (rechts unten)

Brechung

Brechungsindex

Für den Übergang eines Lichtstrahls aus einem Medium mit dem Brechungsindex n2 in ein Medium geringerer Dichte mit dem Brechungsindex n1 existiert ein Grenzwinkel G. Bei Überschreiten des Grenzwinkels wird der Lichtstrahl in das dichtere Medium reflektiert (Totalreflexion). Für den Übergang von Glas zu Luft ergibt sich annäherungsweise G = 42°. Technisch genutzt wird die Totalreflexion z. B. in Lichtleitern (rechts).

Interferenz

Als Interferenz wird die wechselseitige Verstärkung oder Abschwächung bei der Überlagerung von Wellen bezeichnet. Lichttechnisch genutzt werden Interferenzeffekte beim Auftreffen von Licht auf sehr dünne Schichten, die dazu führen, dass bestimmte Frequenzbereiche reflektiert, andere aber transmittiert werden. Durch eine Abfolge von Schichten geeigneter Stärke und Dichte kann eine selektive Reflexionsfähigkeit für bestimmte Frequenzbereiche erzeugt werden, so dass z.B. - wie bei den Kaltlichtlampen - sichtbares Licht reflektiert, infrarote Strahlung aber transmittiert wird. Auch Reflektoren und Filter für die Erzeugung farbigen Lichts können auf diese Weise hergestellt werden. Interferenzfilter, sogenannte Kantenfilter, besitzen dabei einen sehr hohen Transmissionsgrad und eine besonders scharfe Trennung zwischen reflektierten und transmittierten Spektralbereichen.
Hochglänzende Reflektoren sind bei guter Materialqualität frei von Interferenzen.

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